水溫對透水瀝青混合料力學性能的影響

張海濤，郭志超，劉作強

(東北林業大學 土木工程學院， 哈爾濱 150040)

0 引言

相比于傳統瀝青混合料，透水瀝青混合料(PAC-13)具有良好的排水、降噪和抗滑等功能，因此被廣泛應用到高速公路和城市道路的建設中。透水瀝青混合料具有較大的孔隙，雨水可以快速滲入路表中，并通過路面邊緣和排水設施快速排出，因而有效保證了雨天行車安全[1]。透水瀝青混合料是典型的大孔隙骨架結構，且其內部存在一定的連通孔隙，這對透水瀝青混合料承受行車荷載產生不利影響；而且在實際應用中，殘留在孔隙內部的水分在行車荷載作用下，產生滲透壓力和膨脹壓力，進一步擴大了混合料的孔隙，加速了瀝青在集料表面的剝落，最終產生路面病害[2]。因此，在保證透水瀝青混合料力學性能的同時使其兼具良好的水穩性能是當下研究的熱點。

Pan等[3]發現混合料的水穩定性與集料級配、瀝青種類、成型方法有關。此外相比于基質瀝青混合料，改性瀝青混合料的水穩定性更佳；余海游[4]發現SBS改性瀝青與石灰巖之間的抗剝落能力較強，且摻加消石灰和生石灰能明顯改善混合料的水穩定性；雷鵬群[5]通過Abaqus軟件對重荷載條件下的排水瀝青路面開展研究，發現摻加纖維可以提高混合料的內部穩定性；李兆生等[6]研究了凍融對瀝青混合料力學性能的影響特性，發現凍融循環作用增大了瀝青混合料的高溫穩定性對應力水平的敏感性；于立澤等[7]研究發現排水瀝青混合料的力學與排水性能呈負相關關系，并且其力學和排水性能均隨著集料公稱最大粒徑的增大而提高。

綜上所述，目前對于透水瀝青混合料水穩定性的研究主要集中在瀝青種類、外加劑比例對混合料水穩定性的影響，以及凍融循環作用對瀝青混合料孔隙率和疲勞性能的影響等。本研究選用90#SBS瀝青和高粘改性瀝青，針對PAC-13開展劈裂試驗，凍融劈裂試驗以及浸水馬歇爾試驗，以確定透水瀝青混合料水溫穩定性的主要影響因素，同時以AC-13作為對比研究。通過數字圖像技術獲取PAC-13的細觀結構，結合宏觀試驗綜合分析水溫對于瀝青混合料的損傷機理，為解決透水瀝青混合料在實際工程中的水溫穩定性問題提供理論基礎。

1 瀝青混合料組成設計

1.1 瀝青

試驗采用90#SBS改性瀝青和高粘改性瀝青，其技術指標如表1所示。

表1 瀝青的技術指標

1.2 集料

試驗采用的粗集料為石灰巖，細集料為石灰巖機制砂，礦粉親水系數為0.6。表2為試驗采用集料的技術指標。

表2 集料的技術指標

1.3 纖維穩定劑

玄武巖石質纖維具有良好的耐酸、耐堿和耐高溫等性能，能顯著提高透水瀝青混合料的力學性能和高低溫穩定性。研究采用在PAC-13中摻入0.3%的玄武巖石質纖維，其技術指標列于表3。

1.4 瀝青混合料設計

本研究以PAC-13瀝青混合料為研究對象，根據《透水瀝青路面技術規程》(CJJT190-2012)[8]的相關要求，進行目標孔隙率和級配設計。綜合考慮強度和排水性能要求，將PAC-13的目標孔隙率設置為20%，同時對AC-13進行對比分析研究，設計級配如圖1所示。通過馬歇爾配合比設計可得，PAC-13和AC-13的最佳瀝青用量分別為4.7%和4.8%。

圖1 級配曲線

2 水溫對瀝青混合料力學性能影響

瀝青路面早期水損壞已經成為我國瀝青路面最常見的病害之一，對于瀝青路面水損壞問題，學者們進行了大量的研究，取得了豐富的理論成果[9]，基于此，本研究在之前研究基礎上，進一步開展水溫對瀝青混合料力學性能的影響研究。選用高粘瀝青和SBS改性瀝青，通過劈裂試驗、凍融劈裂試驗和浸水馬歇爾試驗，研究不同溫度、凍融循環和熱水浴3種水溫作用下透水瀝青混合料的力學性能變化規律。

2.1 劈裂試驗與凍融劈裂試驗

采用不同溫度以及凍融循環2種水溫狀態來模擬路面實際環境，分別采用劈裂強度，劈裂強度比TSR作為評價以上2種水溫狀態下瀝青混合料的水溫穩定性指標。

1) 選用圖1中的2種級配，分別用SBS改性瀝青和高粘改性瀝青制備馬歇爾試件。每個級配制備15個試件并隨機分成3組，每組5個，分別測試瀝青混合料在10、20和30 ℃下的劈裂強度。

2) 同1)，制備成型上述2種級配的試件，每個級配20個試件并隨機4組。前3組分別進行1次、3次和5次的凍融循環，第4組不進行凍融。將凍融循環后的3組試件與第4組試件同時放入25 ℃的恒溫水浴箱中保持2 h，并在25 ℃下進行試件的劈裂試驗。劈裂抗拉強度按照式(1)和式(2)計算，凍融劈裂強度比按照式(3)計算。

RT1=0.006 287PT1/h1

(1)

RT2=0.006 287PT2/h2

(2)

式中：RT1和RT2分別為未經凍融循環和經歷凍融循環后試件的劈裂抗拉強度，MPa；PT1和PT2為試驗荷載數值，N；h1和h2為試件的高度,mm。

(3)

式中:TSR為凍融劈裂強度比，RΤ2為凍融循環后試件的劈裂強度,MPa；RΤ1為未經凍融循環試件的劈裂抗拉強度,MPa。

試驗1)中不同溫度下瀝青混合料的劈裂強度如圖2所示。

圖2 不同試驗溫度下瀝青混合料劈裂強度

由圖2可知，2種級配瀝青混合料在SBS改性瀝青和高粘改性瀝青下的的劈裂強度都隨溫度的升高呈現降低趨勢，并且相關系數R2為0.97～0.99，初步表明瀝青混合料的劈裂強度和溫度之間具有一定線性相關性。通過圖2還可以看出，高粘瀝青制備的2種瀝青混合料劈裂強度，都明顯優于SBS改性瀝青。

試驗2)中經不同凍融循環次數后的瀝青混合料劈裂強度和孔隙率如表4和圖3所示。

表4 各凍融循環次數下瀝青混合料的劈裂強度與孔隙率

圖3 不同凍融循環次數下瀝青混合料的劈裂強度與TSR

根據上述結果可知：

1) 2種級配瀝青混合料的劈裂強度都隨凍融循環次數增加而逐漸降低，這與瀝青混合料的孔隙率隨凍融循環次數變化的趨勢相符。其原因是因為凍融循環的試件先后經歷真空飽水，凍融和熱水浴3個階段。水分在真空飽水期間滲透到瀝青與集料的粘結面上，一方面降低了瀝青對石料的粘附性，另一方面水分對瀝青起到一定的乳化作用，從而降低了混合料強度。而凍融和熱水浴，進一步促進瀝青的乳化和粘附性的降低，從而導致混合料的強度隨著循環次數的增加不斷降低，并且相關系數R2處于0.94～0.99，初步表明瀝青混合料的劈裂強度和凍融循環次數有一定的線性相關性。換言之，瀝青混合料的劈裂強度隨水溫作用時間而不斷降低。

2) 凍融循環作用下，PAC-13瀝青混合料劈裂強度都低于AC-13劈裂強度。這是由于AC-13瀝青混合料屬于密集配類型，空隙率低，水分很難進入到瀝青混合料內部，所以凍融對AC-13的內部影響較小，損壞更多發生在混合料的表面而不是內部，從而保證了較高強度。而PAC-13瀝青混合料屬于大孔隙排水結構，水分很容易進到混合料內部并滲透到瀝青與集料的孔隙之間，導致瀝青與集料的粘附性降低。而進入混合料內部的水分，由于凍漲作用，對周圍的混合料產生擠壓作用從而貫通部分孔隙，因此相比于AC-13，PAC-13的空隙增長率更大，所以凍融下PAC-13的強度低于AC-13。

3) 從瀝青類型來看，高粘改性瀝青混合料TSR數值明顯高于SBS改性瀝青混合料。以PAC-13為例，經1次凍融作用后，SBS瀝青混合料TSR數值為90%，而高粘瀝青混合料為92.2%，是前者的1.024倍；在3次凍融后，后者是前者的1.127倍；5次凍融后為1.15倍，說明相比于SBS瀝青，高粘瀝青混合料具有更好的水溫穩定性。分析原因，這是由于瀝青強度來源于石料之間的嵌擠以及瀝青與集料之間的粘聚力，觀察劈裂后的試件，破壞多發生在空隙較大處，孔隙較大處瀝青與集料的粘附性更易受到水溫破壞，使用高粘度改性瀝青，可以顯著提高瀝青的粘聚力以及瀝青與集料之間的粘附性，從而提高混合料的強度。說明高粘瀝青可以明顯改善混合料的水溫穩定性。

2.2 浸水馬歇爾試驗

殘留穩定度是評價瀝青混合料水穩定性的重要指標。為研究不同水溫以及作用時間對混合料性能的影響，針對PAC-13,設置20、40和60 ℃ 3種水浴溫度，將同一瀝青制備的混合料試件分成 2組，一組馬歇爾試件放在某一溫度水中保持 0.5 h，另一組馬歇爾試件放在同溫度水中保持48 h，分別測定其馬歇爾穩定度，然后按照式(4)計算此水溫下的殘留穩定度。

(4)

式(4)中：MS殘-T為T溫度下混合料試件的穩定度，%；MS0.5-T和MS48-T分別為T溫度下浸水 0.5 h和48 h后的馬歇爾穩定度。

試驗結果如圖4和圖5所示。

圖4 浸水馬歇爾穩定度

圖5 殘留穩定度

根據上述結果可知：

1) 瀝青混合料的穩定度隨著溫度的升高而逐漸降低，并且相關指數介于0.96～0.99，表明瀝青混合料馬歇爾穩定度和溫度之間有一定的線性關系。

2) 同一種瀝青混合料試件，浸水48 h的馬歇爾穩定度數值明顯低于同溫度浸水0.5 h狀態下穩定度數值，說明馬歇爾穩定度隨著浸水時長的增加而降低；此外，混合料的殘留穩定度隨著水浴溫度的升高而加速降低，說明高溫水浴會加速混合料的水損壞。

3) 高溫浸水狀態下，高粘瀝青混合料能更好的保持水溫穩定性，比如60 ℃水浴下，高粘瀝青混合料試件殘留穩定度為0.79，而SBS瀝青試件殘留穩定度為0.71。說明相比于SBS改性瀝青，高粘瀝青更適用于高溫雨多地區的瀝青路面。

綜合劈裂試驗和馬歇爾穩定度試驗，得出如下結論：

1) 瀝青混合料的力學性能隨著溫度的升高而降低；

2) 水溫作用時間越久，混合料的性能衰減越嚴重；大孔隙路面的力學性能降低更明顯；

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3) 高溫會加速瀝青混合料的水損壞；

4) 高粘瀝青更適用于高溫多雨氣度，有良好的水溫穩定性。

3 圖像采集與細觀結構分析

3.1 試件處理與圖像采集

采用高粘瀝青PAC-13，制備15個試件隨機分成3組，一組不做處理，一組進行一次凍融循環試驗，最后一組試件進行60 ℃水浴48 h處理。用CDD工業相機采集各組斷面圖像，并從每組圖像中隨機抽取一副進行數字圖像處理分析。通過Matlab數字圖像處理技術，采用最大類方差值法對全局閾值進行圖像分割[10]，閾值分割原理可表示為：

(5)

x=φ1x1+φ2x2

(6)

式(5)中，F(x,y)是分割后的圖像；g(x,y)是分割前的圖像；T是閾值。X為圖像總平均灰度；φ1和φ2分別是前景圖案中有效點數占比和背景圖案有效占比，x1和x2分別為前景和背景的平均灰度。

當類間方差值G=φ1(x-x1)2+φ2(x-x2)2達到最大時，前景和背景差別最大，生成的圖像效果最好[11]，能更加清晰地反映出混合料細觀結構的空隙特征以及集料之間的嵌擠程度。閾值處理后的斷面圖如圖6所示。

圖6 閾值處理后的斷面

3.2 細觀結構特征分析

表5 孔隙特征值

圖7 瀝青混凝土孔隙類型

從圖8可知，PAC-13試件在熱水浴48 h后，在原本的孔隙周圍增加了一些微小的孔隙，分析原因，這是有熱水浴作用下，瀝青變軟粘性降低，水在高溫作用下加速侵蝕，進入到瀝青與集料表面薄膜處，進一步降低了瀝青與石料之間的粘附性，導致部分瀝青從石料表面剝落，在產生新的微小孔隙的同時，增加孔隙面積。而經過凍融循環作用的試件，由于低溫情況下水的凍結是由外向內，內部凍結的水分無法沖破外試件外部的冰封層，所以水凍漲壓力作用到混合料內部，貫通一些孔隙的薄弱位置，而當熱水浴融化時，水流滲透到這些薄弱處，加速瀝青從集料上剝落，進一步增加孔隙長度和面積等。對圖8中3種狀態下混合料孔隙形態進行對比，熱水浴后試件新增的一些微小孔隙以及凍融循環后原孔隙周圍的細小連通孔隙，與表5中孔隙特征值相符，更加充分闡述了水溫對瀝青混合料細觀結構的影響。

4 結論

1) 水溫作用會對瀝青混合料的力學性能造成一定程度的損傷，并且瀝青混合料的力學性能與水溫作用時間以及溫度呈線性負相關關系。此外，同種瀝青制備的混合料試件，PAC-13的水溫穩定性低于AC-13，說明水溫作用對大空隙的透水瀝青路面影響更大。

2) 高粘改性瀝青制備的混合料試件水溫穩定性優于SBS瀝青制備的試件，在高溫多雨地區，更適宜采用高粘改性瀝青鋪筑路面。

3) 獲取PAC-13在3種水溫狀態下的斷面圖像，利用閾值分割處理以及Image-Pro plus軟件的圖像分析技術，獲取了各狀態下PAC-13的孔隙特征值，并提取孔隙形態，更加充分闡述了水溫對瀝青混合料細觀結構的影響。